Diseño y análisis estructural del avión Lockheed SR-71 (Blackbird) con Catia V5

Trabajo Fin de Master Master en Ingeniería Aeronáutica Diseño y análisis estructural del avión Lockheed SR-71 (Blackbird) con Catia V5 Autora: Rocío Punta Sánchez Tutor: Manuel Morato Moreno Dpto. Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 ii i Diseño y análisis estructural del avión Lockheed SR-71 (Blackbird) con Catia V5 Autora: Rocio Punta Sánchez Tutor: Manuel Morato Moreno Escuela Técnica Superior de Ingeniería ii iii Universidad de Sevilla Departamento Ingeniería Gráfica Camino de los descubrimientos s/n 41092 Sevilla Spain Imprimido en Sevilla, el 18 de febrero del 2022 iv v A mi familia y amigos vii AGRADECIMIENTOS Me gustaría agradecer, en primer lugar, a mi tutor Manuel Morato, por su ayuda en la realización de este proyecto. También agradecer a mi familia y amigos el apoyo incondicional que me han dado siempre. xv ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Interfaz de CATIA versión 1 ............................................................................... 21 Figura 2: Don Marcel Dassault presentando CATIA versión 1 (1980) ........................ 22 Figura 3: “Boeing: más francés que nunca” ....................................................................... 23 Figura 4: Maqueta 3D en CATIA Version 4 ...................................................................... 24 Figura 5: Maqueta CATIA versión 5 ................................................................................... 25 Figura 6:Modelo Lockheed U-2 ............................................................................................ 29 Figura 7: Modelo MiG-17....................................................................................................... 30 Figura 8: Modelo Lockheed A-12, “Arcangel ................................................................... 31 Figura 9: Modelo Lockheed YF-12 ....................................................................................... 33 Figura 10: Modelo Lockheed M-21 portando D-21 ......................................................... 33 Figura 11: Modelo Lockheed SR-71A ................................................................................. 34 Figura 12: Modelo Lockheed SR-71B .................................................................................. 35 Figura 13: Dimensiones Lockheed SR-71 en metros ....................................................... 37 Figura 14: Componentes Lockheed SR-71 ......................................................................... 38 Figura 15: Morro del Lockheed SR-71 ................................................................................ 39 Figura 16: Parte delantera del fuselaje del Lockheed SR-71 .......................................... 40 Figura 17: Parte trasera del fuselaje del Lockheed SR-71 ............................................... 41 Figura 18: Pratt & Whitney J58 ............................................................................................. 42 Figura 19: Plano Lockheed SR-71, vista desde arriba ...................................................... 43 Figura 20: Plano Lockheed SR-71, vista desde abajo ....................................................... 44 xvi Figura 21: Plano Lockheed SR-71, secciones transversales ............................................ 44 Figura 22: Plano estructural del Lockheed SR-71 por Michael Badrocke ................... 45 Figura 23: Modelo en CATIA V5 del Lockheed SR-71 .................................................... 46 Figura 24: Imágenes reales Lockheed SR-71 ...................................................................... 47 Figura 25: Explosionado de componentes del modelo en CATIA V5 del SR-71 ...... 48 Figura 26: Modelo en CATIA del fuselaje, alas interiores y elevadores del SR-71 ... 49 Figura 27: Secciones transversales del morro .................................................................... 51 Figura 28: Morro del Lockheed SR-71 utilizando “Multi-section” ............................... 51 Figura 29: Comando “Fill” en la punta del morro ........................................................... 52 Figura 30: Comando “extrude” en la parte final del fuselaje......................................... 52 Figura 31: Ala interna y elevadores del Lockheed SR-71 ............................................... 53 Figura 32: “Closure Surface” del conjunto morro, alas interiores y elevadores del Lockheed SR-71 ........................................................................................................................ 53 Figura 33: Variables Booleanas para la creación de la supercie exterior de la cabina ...................................................................................................................................................... 54 Figura 34: Variables Booleanas para la creación del interior de la cabina .................. 55 Figura 35: Diseño final del fuselaje del Lockheed SR-71 ................................................ 55 Figura 36: Elemento de superficie utilizado para el diseño de ventanas y cabinas. . 56 Figura 37: Diseño de las cabinas usando usando la superficie del morro previamente diseñada y el comando “Extrude” ....................................................................................... 56 Figura 38: Diseño final de cabinas ....................................................................................... 57 Figura 39: Diseño final de ventanas ..................................................................................... 58 Figura 40: Motor y ala externa de la aeronave Lockheed SR-71 ................................... 58 Figura 41: Superficie exterior del motor derecho ............................................................. 59 Figura 42: Intersección entre el ala interna y el motor ..................................................... 59 Figura 43: Sección delantera del ala interna. ..................................................................... 60 xvii Figura 44: Borde de ataque lineal del ala externa ............................................................. 60 Figura 45: Borde de ataque redondeado del ala externa ................................................ 61 Figura 46: Pincho en la entrada de aire del motor ........................................................... 61 Figura 47: Estabilizador vertical del Lockheed SR-71 ..................................................... 62 Figura 48: Perfil NACA0014 exportado de Excel a CATIA ........................................... 63 Figura 49: Superficie del estabilizador vertical derecho ................................................. 64 Figura 50: Operación Split para cortar la superficie lateral del VTP............................ 65 Figura 51: Superficie intersección del VTP y el motor .................................................... 65 Figura 52: Diseño del tren de aterrizaje del Lockheed SR-71 ........................................ 66 Figura 53: Eje de unión del tren principal con el fuselaje ............................................... 67 Figura 54: Unión entre el eje principal y el eje de revolución ........................................ 67 Figura 55: Ejes principales del tren de aterrizaje. ............................................................. 68 Figura 56: Ejes del montaje del morro del tren de aterrizaje ......................................... 69 Figura 57: Diseño de las ruedas del tren de aterrizaje..................................................... 69 Figura 58: Recreación del Lockheed SR-71 en vuelo ....................................................... 70 Figura 59: Recreación del Lockheed SR-71 en hángar .................................................... 71 Figura 60: Estructura interna del Lockheed SR-71 ........................................................... 73 Figura 61: “Sketch” de la estructura interna derecha del fuselaje ................................ 74 Figura 62: Estructura interna del morro del Lockheed SR-71 ....................................... 74 xviii 19 1. INTRODUCCIÓN L objetivo de este proyecto es el modelado en Catia V5 y posterior análisis estructural de la aeronave “Lockheed SR-71”, más conocida por el sobrenombre de “Blackbird”. Por tanto, en este proyecto destacan dos elementos fundamentales. Por un lado, el software de modelado Catia V5 (Computer – Aided Three dimensional interactive application), creado por Dassault Systèmes a principio de los 70 con el propósito de dar soporte al desarrollo del avión de combate, “Mirage”, y actualmente convertido en una de las herramientas más potentes y usadas no solo por el sector aeronaútico sino por el automovilístico y el naval. Por otro lado, se tiene una de las aeronaves más destacadas diseñadas durante la guerra fría, el “Lockheed SR-71” (Strategic Reconnaissance), que como su propio nombre indica, se trata de un avión de reconocimiento estratégico. Entre sus aspectos más destacados se encuentran su largo alcance y su capacidad de superar la velocidad del sonido. Y es que, a pesar de haber sido diseñado a principio de los años 70, actualmente mantiene el record mundial de velocidad para aeronaves tripuladas en servicio. A lo largo de este proyecto se tratarán en detalle ambos elementos, comenzando por una breve introducción histórica de ambos y continuando con la explicación dellada de los pasos a seguir para el modelado en CATIA V5 del “Blackbird”. En esta explicación se aportarán detalles estructutrales de importancia que han ayudado al modelado y se justificaran las decisiones de diseño tomadas. Finalmente, se incluirán líneas de trabajo futuras que podrían aportar un valor añadido a los resultados obtenidos. E 2. CATIA V5: LOS ORÍGENES DE UN SOFTWARE DE MODELADO REVOLUCIONARIO ATIA es una plataforma que engloba CAD ( Computer-Aided-Design), CAM (Computer-Aided-Manufacturing), CAE (Computer-Aided-Engineering), 3D Modeling y PLM (Product lifecycle management). Se trata, por tanto, de una plataforma multidisciplinar que pretende dar soporte al completo desarrollo del producto, desde su conceptualización inicial a si su diseño y posterior fabricación. Por ello, es considerado un CAx-software (Computer-Aided technology). A lo largo de este capítulo se tratarán los orígenes del CAD, diseño asistido por ordenador, y como se le fueron añadiendo otras disciplinas para dar paso al actual software CATIA. 2.1. Historia de programas CAD (1960-1980) Un software CAD hace referencia, tal como se ha introducido anteriormente, a un programa de diseño asistido por ordenador que daba soporte a ingenieros y diseñadores de diferentes industrias en el diseño y fabricación de una gran variedad de productos, desde puentes y carreteras a barcos y aviones. Aunque los orígenes de este tipo de los programas de modelado datan de principio de los 60, hay que destacar que su existencia sería completamente imposible sin “The Elements” de Euclide de Alejandría (350 a.C.), que contiene los postulados y axiomas de la geometría euclídea en la cual se basan estos programas. [1] El primer programa CAD, llamado “Sketchpad” fue creado por Ivan Sutherlands como parte de su tesis doctoral en el MIT. “Sketchpad” fue especialmente innovador C CATIA V5: los orígenes de un software de modelado revolucionario 21 debido a que por primera vez el diseñador podía interactuar con el ordenador gráficamente, usando un lápiz de luz para dibujar en la pantalla del monitor. A pesar de que “Sketchpad” fue el primer programa CAD, el primer programa comercial CAM fue la herramienta “PRONTO”, desarrollada en 1957 por Patrick J. Hanratty. Es por ello por lo que Hanratty es conocido como “el padre de CAD CAM”. Debido al coste elevado de los primeros ordenadores y los conocimientos requeridos para su manejo, las primeras industrias en hacer uso de los programas CAD fueron la aeronáutica y automovilística. Las primeras generaciones de programas de Diseño Asistido por ordenador consistían en aplicaciones para planos 2D, generalmente producto de colaboraciones con investigaciones universitarias. No fue hasta principio de los años 70 cuando el uso de programas CAD como prototipos en fase de investigación pasaron a tener uso comercial. Las principales ventajas del uso de este tipo de programas era la reducción en el número de errores de trazado y el incremento de usos que podía darse al plano. Uno de los programas más famosos creados en aquella época y que actualmente sigue en servicio es CADAM (Computer Augmented Drafting and Manufacturing) desarrollado inicialmente por la compañía aeronaútica Lockheed. No sería hasta 1975, cuando una compañía aeronáutica francesa, Avions Marcel Dassault, compró la licencia de CADAM y en 1977 comenzó con el desarrollo de una aplicación CAD 3D que llamó CATIA (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application), actualmente la aplicación CAD más usada en todo el mundo. [2] Figura 1: Interfaz de CATIA versión 1 Otros aspectos fundamentales en el desarrollo de los programas CAD durante esta época fueron el incremento de capacidad computacional y, sobre todo, la disminución del coste de ordenadores más pequeños optimizados por compiladores Fortran y con buena calidad gráfica. Figura 2: Don Marcel Dassault presentando CATIA versión 1 (1980) La propagación en el uso de programas CAD a otras industrias dio paso a la necesidad de consensuar estandarizaciones. Por ello, en 1979, Boeing, General Electrics y NBS (en aquellos momentos conocido como National Bureau of Standards, ahota como NIST, “National Institute of Standards) acordaron comenzar con esta tarea y publicaron, al año siguiente IGES (Initial Graphic Exchange Standard). IGES facilitó la transferencia de complejas curvas y superficies 3D entre diferentes programas CAD 2.2. Historia de programas CAD (1980-1990) Los programas CAD comenzaron la década de los 80 pasando de ser un protipo en investigación a un producto comercial que tuvo que hacer frente a una alta competitividad y a unos continuos cambios debido al rápido desarrollo en los ordenadores. [2] Avions Marcal Dassault creó en 1981 su primera subsidiaria y firmo un contrato de marketing permitiendo IBM vender CATIA. Un año después, en 1982, se publica CATIA Version 1, consistente en una extensión de CADAM que incluía modelado CATIA V5: los orígenes de un software de modelado revolucionario 23 de superficies 3D y funciones NC (Numerical Control)). La asociación de ambas empresas, Avions Marcal Dassault e IBM, continúa siendo efectiva en la actualidad. 3 años más tarde, en 1985, se publica CATIA Version 2 como un programa independiente de CADAM. Ese mismo año, la industria de programas CAD paracía haber asentado su desarrollo ofreciendo cada vez más funcionalidades aprovechando los avances en los ordenadores. El margen de beneficios era grande debido a que su precio se mantuvo alto frente a la caída de el de los ordenadores. Fue entonces cuando apareció un fuerte competidor en el modelado de sólidos 3D, Parametrics Technology Corp. (ahora PTC), que cambiaría para siempre la industria de programas CAD. Otro aspecto para destacar que incitó el crecimiento en el uso de programas CAD a lo largo de esta época fue el desarrollo interno por parte de las industrias aeronáutica y automovilística de programas CAD propios. Boenig comenzó su proyecto TIGER 3D CAD en 1980 aunque en 1988 anucie que los modelos de su nueva aeronave Boeing 777 serían realizados en CATIA. Un años después, en 1989, Dassault Systemes lanza CATIA versión 3. Figura 3: “Boeing: más francés que nunca” La década de los 80 termina con el mercado de programas CAD creciendo fuertemente a la vez que se incrementa la competitividad entre sus distintos proveedores. cualquier aeronave cercana a sus fronteras, a veces incluso aquellas que sobrevolaban el espacio aéreo de Japón. Las aeronaves de reconocimiento de ese momento, que no eran más que bombarderos reconvertidos, como el Boeing RB-47, eran claramente vulnerables a la tecnología antiaérea soviética. Es entonces cuando Richard Leghorn, perteneciente a la USAF, sugiere que la única manera de hacerle frente es desarrollando una aeronave con un techo de vuelo por encima de los 60 000 pies, ya que el mayor interceptor soviético, MiG-17, solo alcanzaba los 45 000. Figura 7: Modelo MiG-17 En aquel momento se pensaba que una aeronave con un techo de vuelo elevado sería capaz no sólo de evitar los interceptores soviéticos, sino que serían invisibles al rádar. Fue la compañía Lockheed Skunk Works, bajo el diseño del ingeniero aeronáutico Clarence “Kelly” Johnson, la que diseñaría y fabricaría una aeronave capaz de cumplir con las exigencias de la USAF, el U-2. Sus principales características son: - Longitud: 19.20m - Envergadura: 31 m - Altura: 4.88m - Velocidad en crucero: 760 km/h (Mach 0.715) a 22000m - Alcance: 11280 Km - Techo de vuelo: 24 000 m (80 000 ft) Cuando los primeros U-2 sobrevolaron la Unión Soviética fueron rápidamente detectados por el rádar, lo que llevo a la CIA iniciar el proyecto “Rainbow”, que Estado del arte 31 tenía como principal objetivo reducir la RCS (Radar-Cross-Section) del U-2. Tras el fracaso de este proyecto, comenzó un nuevo de desarrollo de aeronaves de reconocimiento estratégico que concluiría con el diseño y fabricación del A-12. 3.3.2. Lockheed A-12, “Arcangel” El A-12, conocido por el sobrenombre de “Arcangel” fue el duocécimo diseño de Lockheed Skunk Works que consiguió finalmente la licitación de la CIA para la creación y producción de un sucesor de la aeronave U-2. El A-12 se trata de un avión de reconocimiento estratégico monoplazo que voló por primera vez en 1962. Las características principales de esta aeronave son: - Longitud: 31.3m - Envergadura: 17 m - Altura: 5.6m - Velocidad máxima alcanzada: 3500 km/h (Mach 3.35) - Alcance: 4000 Km - Techo de vuelo: 29 000 m (95 144 ft) Figura 8: Modelo Lockheed A-12, “Arcangel Antes de que el A-12 entrase en servicio, el objetivo del programa, reemplazar al modelo U-2 en sus misiones de reconocimiento estratégico contra la Unión Soviética, parecía cada vez menos probable. El aumento de precisión del rádar soviético hacía al Lockheed A-12 claramente vulnerable para este tipo de misiones. Se contruyeron un total de 12 Lockheed A-12, de los cuales 5 fueron perdidos en servicio. 3.3.3. Lockheed YF-12 En octubre de 1962, la USAF (“United States Air Force”) ordenó 3 interceptores que sustituyeran el F-108A Rapier. La solución aportada por Lockheed Skunk Works fue un diseño basado en el A-12, inicialmente denominado AF-12 para luego pasar a llamarse YF-12. La misión del YF-12 era interceptar los bombarderos supersónicos soviéticos antes de que alcanzasen las fronteras De Estados Unidos. Esta aeronave contaba con 3 misiles “air-to-air”, AIM-47A Falcon”. Para poder manejar el armamento, a diferencia del A-12 que era monoplaza, el YF-12 contaba con una tripulación de 2 personas. Algunas de las características más importantes de esta aeronave son: - Longitud: 30.97m - Envergadura: 16.95 m - Altura: 5.64m - Velocidad máxima alcanzada: 3661 km/h (Mach 3.35) - Alcance: 4800 Km - Techo de vuelo: 27 432 m Como se mencionó anteriormente, solo se construyeron 3, 2 de ellos se conservan en la “National Aeronautics and Space Administration” y son utilizados actualmente en investigaciones. La tercera aeronave fue reconvertida en un avión de entrenamiento para el programa SR-71. Estado del arte 33 Figura 9: Modelo Lockheed YF-12 3.3.4. Lockheed M-21/D-21 El modelo Lockheedd M-21 fue un prototipo diseñado y producido por Lockheed Skunk Works como una variante del A-12 diseñado para una tripulación de 2 personas. A finales de los años 60, Estados unidos decidió terminar con los vuelos tripulados sobre la Unión Soviética debido al gran riesgo que suponían. Es por lo que el modelo M-21 fue diseñado, para portar y lanzar el Drone D-21. El D-21 consitía en una aeronave no tripulada con una cámara de alta definición que se autodestruía una vez terminado su recorrido previamente marcado y eyectado el módulo de la cámara. Figura 10: Modelo Lockheed M-21 portando D-21 Las principales características de este módelo son: - Longitud: 31.1 m - Envergadura: 16.74 m - Altura: 5.48m - Mach de vuelo: 3.35 - Techo de vuelo: 22 860m Solo se construyeron 2 prototipos del M-21 debido al completo fracaso durante una prueba de vuelo, destuyendose la aeronave, el D-21 que portaba y mueriendo uno de sus tripulantes. 3.3.5. Lockheed SR-71, “Blackbird” Lockheed SR-71, sucesor de los modelos A-12 e YF-12, es una aeronave de reconocimiento estratégico de largo alcance, techo de vuelo alto, y velocidad supersónica, por encima de Mach 3, desarrollado por la compañía Lockheed Skunk Works y diseñado por el ingeniero aeronáutico Clarence “Kelly” Jonson. [5] La forma del fuselaje del SR-71 se basaba en la de su predecesor, el A-12, el primer avión diseñado para reducir la RCS (“Radar-Cross-Section”). Figura 11: Modelo Lockheed SR-71A Estado del arte 35 Otro aspecto que destacar en la estructura de esta eaeronave es el material utilizado para su fabricación y es que, debido a la increíble actuación de esta aeronave en términos de techo de vuelo y velocidad de crucero, a lo largo de su superficie se alcanzaban temperaturas por encima de los 560°, siendo solo posible el uso de dos materiales: acero o titanio. Debido a aumento de peso que suponía el uso del primero, se utilizó titanio, lo que supuso varios retos tanto para obtenerlo, ya que la principal proveedora de este material era la Unión Soviética, como para conformarlo. Por otro lado, en algunas partes donde la temperatura superficial alcanzada no era tan elevada, como los bordes y los estabilizadores verticales, se utilizaron materiales como feilsilano, silicona, amianto y fibra de vidrio. El uso de estos materiales se debe que son prácticamente transparentes para la señal rádar. En cuanto a sus sistemas, y debido al role de reconocimiento estratégico del SR-71, la aeronave estaba equipada con sensores, SLAR (“Side-Looking Airbone Radar”) y una cámara de fotos. Algunas de las características más importantes de esta aeronave son: - Longitud: 32.7 m - Envergadura: 16.9 m - Altura: 5.6 m - Velocidad máxima alcanzada: 3540 km/h (Mach 3.3) a 24 000 m - Alcance: 5400 Km - Techo de vuelo: 26 000 m Figura 12: Modelo Lockheed SR-71B De este modelo se construyeron 2 variantes: - SR-71A, versión estándar con dos tripulantes: piloto y RSO (“Reconnaissance System Officer”). De esta versión se construyeron un total de 29 aeronaves - SR-71B, versión de entrenamiento con dos tripulantes: piloto y instructor. De esta versión se construyeron solo dos modelos. Componentes estructurales 37 4. COMPONENTES ESTRUCTURALES L objetivo fundamental de este apartado será introducir los diferentes componentes estructurales que conforman Lockheed SR-71 y que serán modelados posteriormente en CATIA V5. Para ello se comenzará señalando las dimensiones elementales de la aeronave (altura, envergadura, etc). A continuación, se justificarán las secciones en los que se ha dividido para facilitar su posterior modelado. Finalmente se hará alusión a algunas características generales de la estructura y sistemas. 4.1. Dimensiones Las medidas elementales de la aeronave de estudio, Lockheed SR-71, son 32.7 m de longitud, 5.6m de altura, 16.9m de envergadura y 170 m² de superficie alar. . Figura 13: Dimensiones Lockheed SR-71 en metros E Otro aspecto importante para destacar en aeronáutica es el peso. La aeronave contaba con un MTOW (Maximun Take Off Weight) de 78 toneladas, EW (Empty Weight) de 30,6 toneladas En cuanto a superficies estabilizadoras, el “Blackbird” tenía dos estabilizadores verticales, cada uno de 6.9 m, inclinados hacía dentro un ángulo de 15°. Las superdicies de control de dirección, “rudder” estaban instalados en ellos. En cuanto a los elevadores, tal como se puede ver en la Figura 14, el Lockheed SR-71 contaba con 4, 2 en las alas interiores y 2 en las exteriores. [6] Figura 14: Componentes Lockheed SR-71 Componentes estructurales 39 4.2. Secciones 4.2.1. Morro El morro de la aeronave consistía una estructura tipo semi monocasco: cuadernas unidas a través de larguerillos cubiertas por una membrana estructural deonminada piel. Era desmontable y, albergaba en su interior sistemas de navegación aérea como el tubo de Pitot, medidas del ángulo de ataque, de resbalamiento y dirección, antenas RWR y VOR. Figura 15: Morro del Lockheed SR-71 5.2. Introducción al modelado Para modelar una aeronave tan compleja como el Lockheed SR-71, se ha diseñado sus diferentes componentes por separado y posteriormente se han ensamblado y renderizado, dando como resultado imágenes como las de Figura 23 Figura 23: Modelo en CATIA V5 del Lockheed SR-71 Los resultados obtenidos pueden compararse con las imágenes del modelo real, el cual aparece en la Figura 24. [4] Modelado en CATIA V5 del Lockheed SR-71 47 Figura 24: Imágenes reales Lockheed SR-71 Además, para hacer el modelo lo más similar posible a la aeronave real, a cada uno de sus componentes se les ha aplicado un cierto material. Por ejemplo, en el caso del fuselaje y las alas, tanto interiores como exteriores, se ha aplicado Titanio, mientras que en las ventanas se aplicado vidrio. Es precisamente el hecho de que se haya aplicado titanio al fuselaje, alas, góndolas y estabilizadores verticales que la aeronave presente un acabado plateado en lugar de su caracterítico color negro que da lugar a su nombre, “Blackbird”. El objetivo de este apartado es detallar los pasos seguidos para el diseño de cada uno de sus componentes 5.3. Explosionado de componentes Como se ha introducido anteriormente, para facilitar el modelado se han separado sus componentes y se han diseñado por separado. Esta división puede verse en Figura 25. Figura 25: Explosionado de componentes del modelo en CATIA V5 del SR-71 Por tanto, los distintos componentes son: - Fuselaje, alas interiores y elevadores. - Motores y alas exteriores. - Cabina - Ventanas - Tren de aterrizaje configuración triciclo - Estabilizadores verticales - Antena Modelado en CATIA V5 del Lockheed SR-71 49 5.4. Diseño de fuselaje, alas interiores y elevadores. En este apartado, como su propio nombre indica se detallarán los pasos seguidos en el diseño del fuselaje, alas interiores y elevadores de la aeronave Lockheed SR-71, cuyo resultado puede verse en la Figura 26. Figura 26: Modelo en CATIA del fuselaje, alas interiores y elevadores del SR-71 Debido a la complejidad del diseño, se utilizó el modelo “Generative Shape Design”, para posteriormente convertirlo en sólido y generar el espacio para la cabina del piloto y RCO usando operaciones Booleanas. A continuación, se detallan los pasos seguidos. Como se ha mencionado anteriormente, y debido a la complejidad de la aeronave, se ha utilido el módulo “Generative Shape Design”, módulo mucho muy versátil y que permite la creación de superficies no cerradas a partir de diferentes comandos como “Sweep”, “Multi-Section” o “Fill”. Tal como se ve en la Figura 19Figura 21, el plano utilizado para el diseño contiene 20 cortes transversales. A través de un programa de diseño 2D se han medido las distancias de estos cortes al morro de la aeronave y, utilizando como medida de referencia la longitud total de la aeronave, se han escalado dichas distancias para obtener las medidas reales de la aeronave. Los resultados obtenidos se encuentran en la Tabla 1. Corte Distancia al morro 0 0.00 1 1.24 2 2.42 3 3.53 4 4.74 5 5.39 6 6.89 7 8.28 8 9.99 9 15.82 10 18.49 11 19.77 12 20.88 13 22.52 14 24.18 15 26.05 16 27.41 17 28.69 18 29.17 19 30.55 20 32.10 Tabla 1: Distancia entre cortes señalados en la Figura 19 Creamos 20 planos verticales utilizando la herramienta “offset from plane” usando de referencia el origen de coordenadas y las distancias señaladas en la Tabla 1. A continuación, y utilizando el plano mostrado en la Figura 21, se dibujan las secciones transversales de la aeronave, tal como puede verse en la Figura 27. Modelado en CATIA V5 del Lockheed SR-71 51 Figura 27: Secciones transversales del morro A continuación, una vez creadas las secciones transversales estas se unirán a través de guías. Las guías y las secciones transversales serán las entradas necesarias para que el comando “Multi-section” funcione correctamente. Figura 28: Morro del Lockheed SR-71 utilizando “Multi-section” En cuanto a la punta del morro, se ha utilizado el comando “Fill” para conseguir el acabado puntiagudo, tal como se muestra en la Figura 29. Para que este comando funcione correctamente es imprescindible que se le proporciene un contorno cerrado. Para ello se ha hecho uso de la sección transversal correspondiente al corte 1 (Tabla 1) y las guías que unen esta sección con el origen de coordenadas. Figura 29: Comando “Fill” en la punta del morro A continuación, se procede diseñando la parte final del fuselaje. Para ello, como puede verse en la Figura 19, se ha considerado que las secciones que resultan de los cortes 8 y 9 (Tabla 1) son iguales. Para la generación de una superficie recta se sección constante, el comando más adecuado resulta ser “Extrude”. Figura 30: Comando “extrude” en la parte final del fuselaje La siguiente parte en ser modelada es el ala interna y los elevadores del Lockheed SR-71. Se van a modelar conjuntamente debido a que están unidas y a que en este proyecto no se pretende el estudio del movimiento relativo entre ellas. Para modelar estos dos elementos se ha procedido de manera similar al morro, utilizando el comando “Multi-section” utilizando variables de entrada las secciones transversales que aparecen en el plano de la Figura 21, y guias que describen la silueta de la aeronave, basadas en los planos sde la Figura 19. Los resultados pueden Modelado en CATIA V5 del Lockheed SR-71 53 verse en Figura 31. Figura 31: Ala interna y elevadores del Lockheed SR-71 Tal como se ha mencionado al principio de este apartado, el morro, las alas interiores y elevadores se han modelado como un solo conjunto, siendo este conjunto una superficie cerrada. Al ser una superficie cerrada, para solidificarla únicamente será necesario utilizar el comando “Closure Surface”. Siendo el resultado el mostrado en la Figura 32. Figura 32: “Closure Surface” del conjunto morro, alas interiores y elevadores del Lockheed SR-71 Una vez se ha modelado la superficie exterior del fuselaje sin considerar las cabinas del piloto y RSO se ha hecho uso de variable Booleanas para considerarlas ya que éstas permiten unir, eliminar o intersectar dos “bodies”. Una vez modelado las cabinas, se hará nuevamente uso de las variables Booleanas para proporcionar hueco para las ventanas. Antes ded comenzar con el diseño hay que tener en cuenta es que el modelo del fuselaje es un sólido y no una superficie, por lo que para poder utilizar variables booleanas sobre él será necesario que los “bodies” sobre los que se va a operar sean también sólidos. Para crear sólidos en el módulo “Generative Shape Design” se utilizará un set de herramientas llamado “Volumes”, del que se hará uso en este apartado. En primer lugar, para modelar las cabinas se creará un nuevo elemento, denominado “Body.2” y se señalará como elemento actual de trabajo con el comando “Define in Work object”. A continuación, se añadirá un “sketch” con el diseño exterior de las cabinas que puede verser en el plano de la Figura 19 y con el comando “Extrude” se creará un sólido que se corresponde con la parte de las cabinas que se quiere eliminar. Una vez obtenido este sólido se selecciona el comando “Remove” dentro del set de herramientas “Volumes” y se elimina del “PartBody” el “Body2”. Esto generará un nuevo sólido, llamado “Remove.2”. Para poder visualizar con claridad los resultados de la operación, se oculta el “PartBody” con el comando “Hide”, obteniéndose los resultados de Figura 33. Figura 33: Variables Booleanas para la creación de la supercie exterior de la cabina Finalmente, para completar la cabina, se insertará un nuevo “Body”, “Body.4”, y se creará un sólido con el comando “Extrude” que represente el interior de la cabina. Se procede de igual manera que en el modelado de la superficie exterior de la cabina: se utiliza el comando “Remove”, en esta ocasión se elimina el “Body.4” del “Body.2”, creandose el objeto “Remove.3”. Seguidamente se oculta el “Body.2” con el comando “Hide” para poder visualizar el resultado, el cual se muestra en la Figura 34. Modelado en CATIA V5 del Lockheed SR-71 55 Figura 34: Variables Booleanas para la creación del interior de la cabina Seguidamente, se diseñan las ventanas de la aeronave. Para ello, vuelve a crearse un nuevo “body”, en este caso “Body.5”. En este nuevo elemento se realiza un “Sketch” con las dimensiones de la ventana, y se procede de forma análoga a como se hizo con las cabinas. Se crea un sólido con el comando “extrude” aplicado al nuevo “Sketch” y se vuelve a operar con el comando “Remove”. En este caso se extrae el “Body.5” del “Body.4”, obteniendo el elemento “Remove.4”. A continuación, se oculta el “Body.4”. Finalmente, para dar un mayor realismo al diseño, CATIA V5 permite aplicar material sobre un “Body”. En este caso se aplicará Titanio sobre el “Body.5”. Figura 35: Diseño final del fuselaje del Lockheed SR-71 5.5. Diseño de cabinas En este apartado del proyecto se procederá a describir los pasos seguidos para el diseño de las cabinas para lo cual se ha utilizado el módulo “Generative Shape Design”. 5.8. Diseño de estabilizadores verticales En este apartado, como su propio nombre indica, se detallarán los pasos seguidos en el diseño de los estabilizadores verticales (VTP) de la aeronave Lockheed SR-71. Hay que destacar que en estos estabilizadores se encuentran además superficies de control de dirección, más conocidos como “rudders”. En este caso, se modelarán los estabilizadores verticales y las superficies de control como un solo elemento. El resultado puede verse en la Figura 47. Figura 47: Estabilizador vertical del Lockheed SR-71 Antes de proceder al diseño de los estabilizadores verticales, se ha investigado el perfil aerodinámico de estos. Sin embargo, y debido a la falta de documentación sobre el perfil aerodinámico del Lockheed SR-71, se ha supuesto que se trata un perfil NACA 0014, debido a que se trata de un perfil simétrico, característica fundamental para cualquier perfil perteneciente a un estabilizador vertical, y es comumente usado en aeronaves de características similares. Una vez escogido el perfil, para poder diseñarlo correctamente se hace uso de una base de datos de perfiles aerodinámicos [7]. Esta base de datos proporciona las coordenadas del perfil aerodinámico considerando que éste tiene una cuerda de 1 metro. Se escala las coordenadas obtenidas de esta base de datos para obtener dos perfiles, el perfil de la raíz y el de la punta. Una vez se tienen las coordenas de los dos perfiles de interés, se exporta a CATIA Modelado en CATIA V5 del Lockheed SR-71 63 estas coordenadas. Para llevar a cabo esta operación y otras similares, el programa cuenta con macros en Microsoft Excel que te permiten realizar dicha operación de forma rápida y sencilla. Para ello basta con ir a la carpeta donde se ha instalado CATIA y buscar un archivo Excel habilitado para macros llamado GSD_PointSplineLoftFromExcel. Se introducen las coordenadas de uno de los perfiles y se ejecuta la macro “Main” con la opción “2. Spline”. Se utiliza esta opción porque en lugar de únicamente exportar los puntos, los une utilizando una función “Spline” y teniendo en cuenta que se han exportado más de 100 puntos de coordenas, el hecho de que se unan automáticamente permite ahorrar una gran cantidad de trabajo. Un aspecto importante para tener en cuenta para que se realice dicha exportación es que es necesario tener CATIA funcionando en paralelo con un archivo “Partdesign” abierto. El resultado de la exportación de uno de estos perfiles se muestra en la Figura 48. Figura 48: Perfil NACA0014 exportado de Excel a CATIA Una vez los perfiles han sido exportados a CATIA correctamente, es necesario trasladarlos a la posición correcta, es decir, que el perfil de la raíz del VTP coincida con el final de la planta motora y el perfil de la punta se sitúe en un plano distanciado verticalmente del perfil raíz una longitud igual a la altura del VTP. También hay que tener en cuenta que, tal como puede verse en el plano de la Figura 21, el VTP forma un ángulo de 15° respecto a la vertical. Tras la exportación de los puntos en el “PartDesign”, se procede a cambiar de módulo de trabajo a “Generative Shape Design”, módulo que se utilizó para el diseño del resto de los elementos modelados. A continuación, se procede a la creación de dos planos horizontales en las posiciones correspondientes al perfil de la punta y la raíz. Para trasladar el perfil de la raíz del VTP exportado desde Excel a la posición correcta, se inserta un “Sketch” situado en la posición que le corresponde a ese perfil. Desde las herramientas de la opción “Sketch” se utiliza “Project 3D Elements” para obtener la proyección de los puntos exportados en ese plano y “Translate” para situar el borde de salida del perfil al final de la planta motora. Se procede de forma análoga con el perfil de la punta con el plano correspondiente a su posición. Finalmente, se crea una superficie a partir de estos dos perfiles utilizando el comando “Multi-section Surface”. Figura 49: Superficie del estabilizador vertical derecho Una vez se tiene la superficie lateral del VTP, es necesario comprobar que la base de éste encaja con la superficie cilíndrica del motor. Para ello se crea la superficie del motor con el comando “Extrude” y se corta la superficie lateral del VTP con ella usando el comando “Split”, operación que puede verse en Figura 50. Modelado en CATIA V5 del Lockheed SR-71 65 Figura 50: Operación Split para cortar la superficie lateral del VTP A continuación, se realiza otra operación “Split”, esta vez para cortar la superficie lateral del motor usando la del VTP, quedando como resultado la intersección entra ambas superficies. El resultado de esta operación puede verse en la Figura 51. Figura 51: Superficie intersección del VTP y el motor Seguidamente, se utiliza el comando “Fill” en la base superior del VTP para que la superficie quede completamente cerrada y se realiza un “Join” para que todas las superficies creadas formen parte de un solo conjunto. Este conjunto se solidifica usando el comando “Closure Surface” y se le aplica Titanio. 5.9. Diseño del tren de aterrizaje En este apartado, como su propio nombre indica, se detallarán los pasos seguidos en el diseño del tren de aterrizaje de la aeronave Lockheed SR-71. El resultado puede verse en Figura 52. Figura 52: Diseño del tren de aterrizaje del Lockheed SR-71 Este elemento de la aeronave tiene la función de absorber el impacto del aterrizaje y posibilitar la rodadura en el despegue. Debido a las fuertes cargas de compresión a la que esta expuesto este elemento se fabrica de acero, a pesar de la alta densidad de este material. Se trata de un elemento crítico que normalmente requiere un mantenimiento no predictivo: una vez se cumple su ciclo de vida útil, muy inferior al ciclo de vida real del material, se cambia. En el caso del tren de aterrizaje del Lockheed SR-71, se trata de un tren retractil: el tren se recoge dentro del fuselaje de la aeronave una vez se ha completado la maniobra de despeque y no vuelve a desplegarse hasta que comienza la maniobra de aterrizaje. Esto permite disminuir la resistencia aerodinámica de la aeronave durante el vuelo. Por otra parte, el tren de aterrizaje para la aeronave de estudio tiene una configuración triciclo: tiene dos montajes debajo del fuselaje y un montaje frontal en la parte delantera del morro. Esta configuración puede verse claramente en el plano de la Figura 22. Para comenzar, se diseñará el tren de aterrizaje principal, más concretamente, el eje de unión con el fuselaje. Para ello se va a usar el comando “Revolute”, cuyos parámetros de entrada son el eje de rotación y el perfil, ambos pueden verse en la Figura 53. Modelado en CATIA V5 del Lockheed SR-71 67 Figura 53: Eje de unión del tren principal con el fuselaje A continuación, utilizando el comando “Sweep” cuyas variables de entrada son una guía y un perfil ovalado, se diseñará la unión del eje principal con el eje de revolución de la rueda (Figura 54). Figura 54: Unión entre el eje principal y el eje de revolución Una vez obtenido uno de los ejes que unirá el eje de rotación con el eje principal, se realiza una simetría, de dicho eje respecto a un plano vertical que pasa por el eje principal. Seguidamente, con el comando “Extrude”se construye el eje de rotación. Los resultados de estas operaciones pueden verse en la Figura 55. Figura 55: Ejes principales del tren de aterrizaje. A continuación, para que todos los ejes encajen bien entre sí y el eje principal encaje con el fuselaje, se utiliza el comando “Split” repetidamente. Tras esto, se utiliza el comando “Fill” para cerrar el conjunto, una operación “Join” para unir todas las superficies creadas y se solidifica la superficie utilizando el comando “Closure Surface”. Por último, se realiza realiza una operación de simetría de la estructura creada respecto a un plano vertical que pasa por el eje longitudinal de la aeronave, obteniéndose así los dos montajes traseros del tren de aterrizaje. Habiendo acabado el modelado de los montajes traseros, se comienza con el modelado del montaje del morro. La estructura de éste es mucho más simple, ya que únicamente se constituye de un eje principal que une el tren al fuselaje y un eje de rotación. Tal como se hizo anteriormente, se utiliza el comando “Split” para que encaje la unión entre ejes y entre el eje principal y el fuselaje, como puede verse en la Figura 56. A continuación, se cierra la superficie utilizando el comando “Fill”, se realiza una unión de todas las superficies creadas con el comando “Join” y se solidifica usando “Closure Surface”. Modelado en CATIA V5 del Lockheed SR-71 69 Figura 56: Ejes del montaje del morro del tren de aterrizaje Una vez se tiene la estructura completa de ejes del tren de aterrizaje, la cual ha sido modelada completamente dentro del “PartBody”, se le aplica material. En este caso, se le aplica acero, que como se mencionó anteriormente, se trata del material más cómumente utilizado en las estructuras de este tipo. A continuación, se inserta “Body.2”, bajo el cual se diseñarán las ruedas. Para diseñarlas, se utilizará el comando “Revolve”, tal y como se muestra en la Figura 57. Figura 57: Diseño de las ruedas del tren de aterrizaje Una vez diseñadas todas las ruedas se le aplica un comando “Thick Surface”, que permite solidificar las superficies dándoles un cierto espesor, en este caso se ha considerado un espesor de 0.5 cm. Finalmente, se le aplica material. En este caso, el material de la librería de CATIA V5 más parecido al real, es el caucho, “Rubber”. 5.10. Resultado final Finalmente, tras haber explicado detalladamente como se ha modelado cada uno de los elementos, se presenta la estructura completa ensamblada y renderizada en diferentes escenarios. Figura 58: Recreación del Lockheed SR-71 en vuelo Modelado en CATIA V5 del Lockheed SR-71 71 Figura 59: Recreación del Lockheed SR-71 en hángar